计算机控制技术课程设计--数字双闭环直流调速系统设计.doc

成绩 成绩 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计报告课程设计报告 题目 数字双闭环直流调速系统设计题目 数字双闭环直流调速系统设计 学学 院 院 计算机与电子信息学院计算机与电子信息学院 班班 级 级 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 张友斌张友斌 起止日期 起止日期 2011 年年 12 月月 19 日 日 2011 年年 12 月月 25 日日 摘要 I 摘要摘要 数字双闭环直流调速系统是在经典控制理论的基础上设计完成的 本系 统以带有 AD 转换器的 8051 系列单片机为控制器芯片 对电机进行电流 转速 双闭环 PWM 可逆直流调速系统设计 利用单片机为核心的数字控制系统使其 硬件电路的标准化程度高 制作成本低 且不受器件温度漂移影响 而且其稳 定性好 可靠性高 提高了控制性能 在软件方面 文章中介绍了 PI 运算程序 初始化程序等的编写思路和具体的程序实现 关键字 关键字 数字 双闭环 单片机 调速 ABSTRACT II ABSTRACT Digital DC double loop speed control system in the classical control theory based on the design completed The system with a AD converter 8051 series SCM as the controller chip motor current speed double closed loop reversible DC speed control system design of PWM Using single chip as the core digital control system the hardware circuit of high standardization degree low manufacturing cost and is not affected by temperature drift effect And its good stability high reliability improves the control performance On the software side the article introduced the PI computing procedures such as initialization procedures for the preparation of ideas and specific procedures to achieve Key Words Digital Double Closed Loop Single chip Adjust speed 目录 III 目目 录录 摘要 I ABSTRACT II 目 录 III 计算机控制技术课程设计任务书 IV 第一章数字双闭环直流调速系统总体设计 1 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 4 2 1 主电路设计 4 2 2 硬件电路结构图 4 2 3 控制电路的设计 5 2 3 1 调节器的设计 5 2 3 2 计算机控制单元 7 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 10 3 1 系统软件程序设计 10 3 2 算法实现 13 心得体会 15 参考书目 16 附录 17 计算机控制技术课程设计任务书 IV 计算机控制技术课程设计任务书计算机控制技术课程设计任务书 题目 题目 数字双闭环直流调速系统设计 使用班级 电气使用班级 电气 081 082 设计内容设计内容 采用带有 AD 转换器的 8051 系列单片机为控制器芯片 对直流电机进行电流 转速双闭 环调速系统设计 A 硬件系统设计 包括控制电路系统与主电路系统 控制电路主要包括 单片机选型 单片机外围电路 三相电源过零检测电路 前向通道电路 反馈通道电路 人机接口电路 主电路主要包括 UPE 及保护电路 功率驱动放大电路 电机接口电路 B 软件系统设计 主要包括 电流环采样 转速环采样 电流环控制器算法 转速环 算法 中断控制 故障报警等 设计步骤设计步骤 一 总体方案设计一 总体方案设计 二 控制系统的建模和数字控制器设计二 控制系统的建模和数字控制器设计 三 硬件的设计和实现三 硬件的设计和实现 1 选择计算机机型 采用 51 内核的单片机 2 设计支持计算机工作的外围电路 EPROM RAM I O 端口 键盘 显示接口电 路等 3 设计输入信号接口电路 4 设计 A D 转换和电机驱动接口电路 5 其它相关电路的设计或方案 电源 通信等 四 软件设计四 软件设计 1 分配系统资源 编写系统初始化和主程序模块框图 2 编写 A D 转换和速度 电流检测子程序框图 3 编写控制程序和功率驱动子程序模块粗图 4 其它程序模块 显示与键盘等处理程序 框图 五 编写课程设计说明书 绘制完整的系统电路图 五 编写课程设计说明书 绘制完整的系统电路图 A3 幅面 幅面 课程设计说明书要求课程设计说明书要求 1 课程设计说明书应书写认真 字迹工稚 论文格式参考国家正式出版的书籍和论文编 排 2 论理正确 逻辑性强 文理通顾 层次分明 表达确切 并提出自己的见解和观 点 3 课程设计说明书应有目录 摘要 序言 主干内容 按章节编写 主要结论和参考 书 附录应有系统方枢图和电路原理图 4 课程设计说明书应包括按上述设计步骤进行设计的分析和思考内容和引用的相关知 识 第一章 数字双闭环直流调速系统总体设计 1 第一章第一章数字双闭环直流调速系统总体设计数字双闭环直流调速系统总体设计 目前 需要高性能可控调速系统的领域多数都采用直流调速系统 转速 电 流双闭环调速系统 简称双闭环调速系统 是由单闭环调速系统发展而来的 单闭环调速系统可以实现转速调节无静差 但单闭环调速系统中用一个调节器 综合多种信号 各参数间相互影响 难于进行调节器动态参数的调整 而用两 个调节器分别调节转速和电流 构成转速 电流双闭环调速系统 则可以获得 近似理想的过渡过程 对于直流调速系统 要获得优良的性能指标 须对电动 机的两个基本状态变量 即电枢电流和转速进行检测 并实行有效控制 电流 和转速两个状态变量的检测 是实现系统闭环控制的必要条件 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 可在系统中设置两个调节器 分别调节转速和电流 即分别引入转速负反馈和电流负反馈 二者之间实行嵌 套 或称串级 联接如下图 1 1 所示 把转速调节器的输出当作电流调节器的 输入 再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE 从闭环结构上看 电流环在里面 称作内环 转速环在外边 称作外环 这就形成了转速 电流 双闭环调速系统 TG n ASR ACR U n Un Ui U i Uc TA V M Ud Id UPE L M T G 图 1 1 转速 电流双闭环直流调速系统结构 第一章 数字双闭环直流调速系统总体设计 2 图1 2 双闭环直流调速系统电路原理图 M TG RP2 n U n R0 R0 Uc Ui TA L Id RiCi Ud R0 R0 RnCn ASR ACR LM GT V RP1 Un U i LM M T G U P E 由图 1 2 双闭环直流调速系统电路原理图可看出 两个调节器的输出都是带 限幅作用的 转速调节器 ASR 的输出限幅电压 U im 决定了电流给定电压的最 大值 电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制了电力电子变换器的最大输 出电压 Udm 以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高 制作成本低 且不受器件温度漂移的影响 其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算 可以 实现不同于一般线性调节的最优化 自适应 非线性 智能化等控制规律 而 且更改起来灵活方便 数字控制直流调速系统的组成方式大致可分为三种 1 数模混合控制系统 2 数字电路控制系统 3 计算机控制系统 M TG A P 3 AC TA ACR ASR A D A D D A 图 1 3 数模混合控制系统 第一章 数字双闭环直流调速系统总体设计 3 M PLG D PACRASR U n P D 3 AC TA Ui Un UcU i A D 主电路 微机控制电路 U n U n U i U i U c 图 1 4 数字电路控制系统 M PLG D PACRASR U n P D 3 AC TA Ui Un UcU i A D 数字控制电路 主电路 图 1 5 微机电路控制系统 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 4 第二章第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计数字双闭环直流调速系统硬件设计 2 1 主电路设计主电路设计 中小功率的可逆直流调速系统多采用桥式可逆 PWM 变换器 图 4 1 为调速 系统的主电路的原理图 图中的左半部分是由 6 个二极管组成的整流器 采用 不可控整流 把电网提供的交流电整流成直流电 中间部分是大电容滤波 右 半部分是桥式 PWM 变换器 图 2 1 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图 2 2 硬件电路结构图硬件电路结构图 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构如图 2 2 所示 系统由主电路 检测电路 控制电路 给定电路和显示电路组成 三相交流电源经不可控整流 器变换为电压恒定的直流电源 再经过直流 PWM 变换器的到可调的直流电压 给直流电动机供电 检测回路包括电压 电流温度和转速检测 其中电压 电 流和温度检测由 A D 转换通道变为数字量送入微机 转速检测用数字测速 微机控制还具备故障检测功能 对电压 电流 温度等信号进行实时监测和分 析比较 若发生故障立即采取措施 避免故障进一步扩大 并同时报警 以便 人工处理 数字控制器是系统的核心 一般选用专为电机控制设计的单片微机 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 5 配以显示 键盘等外围电路 通过通信接口与上位机或其他外设交换数据 这 中微机芯片本身都带有 A D 转换器 通用 I O 和通信接口 还带有一般微机并 不具备的故障保护 数字测速和 PWM 生成功能 可大大简化数字控制系统的 硬件电路 图 2 2 微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图 2 3 控制电路的设计控制电路的设计 2 3 1 调节器的设计调节器的设计 图2 3 双闭环直流调速系统的动态结构图 U n Uc IdL n Ud0 Un Ui WASR s WACR s Ks Tss 1 1 R Tl s 1 R Tms U i Id 1 Ce E 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 6 电流调节器的设计 根据设计要求并保证稳态电流无差 可按典型 I 型系统设计电流调节器 电流环控制对象是双惯性型的 因此可用 PI 型电流调节器 其传递函数为 WACR S Ki is 1 is Ki 电流调节器的比例系数 i 电流调节器的超前时间常数 转速调节器的设计 转速环开环传递函数应共有两个积分环节 所以应该设计成典型 II 系统 系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求 ASR 也应该采用 PI 调节器 其传递 函数为 WASR s Kn ns 1 ns Kn 转速调节器的比例系数 n 转速调节器的超前时间常数 图 2 4 电流环结构简化图 图 2 5 转速环结构简化图 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 7 2 3 2 计算机控制单元计算机控制单元 三相过零检测电路 为了达到与电源电压同步的目的 除了可以使用锁相同步电路外 还可以实 时检测电源电压的过零点和频率 根据过零点和频率就可以跟踪输入的电源电 压的相位 实现同步输入 PWM 信号发生电路设计 钟电路是用来产生 AT89C51 单片机工作时所必须的时钟信号 AT89C51 本身 就是一个复杂的同步时序电路 为保证工作方式的实现 AT89C51 在唯一的时 钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 时钟的频率影响单片机的速 度和稳定性 图 2 6 三相过零检测电路 图 2 7 PWM 信号发生电路 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 8 A D 转换接口电路 ADC0809 是 8 位逐次逼近性 A D 转换器 带 8 个模拟量输入通道 有通道 地址译码锁存器 输出带三态数据锁存器 启动信号为脉冲启动形式 ADC0809 内部设有时钟电路 故 CLK 时钟需外部输入 允许范围 500KHz 1MHz 典型值为 640KHZ 每一通道的转换需 66 73 个脉冲 大约 100 110 s 电机驱动接口电路 采用 L298N 驱动器 接受单片机的输入信号并放大 驱动电机运转 电源电路图 用 78 系列的芯片产生 5V 电压供给单片机使用 给单片机供电 图 2 10 A D 转换接口电路 图 2 11 电机驱动接口电 路 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 9 UPE 及保护电路设计 对于中 小容量系统 多采用由 IGBT 或 P MOSFET 组成的 PWM 变换器 键盘电路设计 运行方式的设置主要有P1口外接键盘来完成 判断键盘是否按下的方法 首先设置P1口为高电平 然后从P1 0到P1 4逐个检测引脚的电平 如果某个引 脚为低电平表示该键按下 此时不需要做相应的处理实现键盘功能 如果引脚 为高电平则不做处理 采用5个独立的开关主要控制电机的正反转 急停 加减 速 图 2 12 电源电路 图 2 13 UPE 及保护电路设计 第二章 数字双闭环直流调速系统硬件设计 10 图 2 14 键盘电路图 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 11 第三章第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计数字双闭环直流调速系统软件设计 3 13 1 系统软件程序设计系统软件程序设计 数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的 所有的硬件也必须由软件实 施管理 单片机数字控制双闭环直流调速系统的软件有主程序 初始化子程序 中断服务子程序等 主程序流程图如图 3 1 所示 在主程序中 主要完成对各个可编程芯片进 行初始化和键盘参数设置的处理 键盘参数设置的处理主程序中的重要部分 这部分程序设计采用程序的模块化 有效的解决了复杂的多重分支问题 启动 功能键按下时 系统开始启动采样定时并进入实时控制阶段 每次中断返回时 若有复位键和新的参数设置键按下则返回键处理程序 YES 开始 系统初始化 按键处理 有键按下 刷新显示 数据通讯 NO 系统初始化 设定定时器工 作方式 设定 I O 键盘和显示 接口的工作方式 参数及变量 初始化 返回 如图 2 2 系统初始化包括中断始化 各存储单元赋初值 键盘显示器的各 数据程序表赋常数 各种限定值装入数据存储器 设定堆栈指针 给主程序标 志寄存器送初始值 控制器设定初值等 主程序 0000 AJMP START START CLR PSW 4 CLR PSW 3 选中工作寄存器 0 组 图 3 1 主程序流程图图 3 2 初始化子程序流程图 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 12 CLR C MOV R0 4FH MOV A 30H CLEAR1 CLR A INC A DJNZ R0 CLEAR1 清零 30 7FH SETB TR0 定时器 计数器 0 工作 MOV TMODE 01H 定时器 计数器工作在方式 1 SETB EA 总中断开放 SETB IT0 置 INTO 为降沿触发 SETB IT1 置 INT1 为降沿触发 LJMP MAIN LJMP CTCO LCALL SAMPLE Fosc 12MHZ 用一个定时器 计数器定时 50ms 用 R2作计数器 置初值 14H 到定时时间后产生中断 每执行一次中断服务程序 让计数器内容减 1 当计数器内容减为 0 时 则到 1s 中断服务子程序完成实时性强的功能 如故障保护 PWM 生成 状态检测 和数字 PI 调节等 中断服务子程序由相应的中断源提出申请 CPU 实时响应 a 图转速调节中断服务子程序 b 图电流调节中断服务子程序 c 图故障保护中断服务子程序 保护现场 读入转速给定 计算转速 转速调节 允许测速 中断返回 恢复现场 保护现场 读入电流反馈 电流调节 PWM生成 启动A D转换 中断返回 恢复现场 封锁PWM 输出 分析 判断 故障原因 显示故障 原因 故障报警 等待系统 复位 a b c 图 3 3 中断子程序流程图 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 13 PI 控制子程序设计 PI 程序 SETB EX1 开放中断 1 MOV R0 90H P1 口 W 送 R0 预设 MOV R1 80H P0 口 Y 送 R1 实测 MOV A R0 W 给 A MOV B R1 Y 给 B SUBB A B ei 给 A MOV 7FH A ei 给 7FH MOV 7EH 00H ei 1 0 给 7EH MOV 7BH Umax MOV 7AH Umin AJMP IN 积分项 AJMP P 比例项 MOV A R2 Pi 给 A ADD A R3 Pi Pp 给 A MOV 7DH 00H Ui 1 0 给 7DH ADD A 7DH Ui 1 Pi Pp Ui 给 A MOV 7CH A Ui 给 7CH MOV 7DH 7CH Ui 给 Ui 1 MOV A 7BH Umax 给 A CJNE A Ui LOOP2 Ui Umax 转移 MOV A Ui CJNE A 7AH LOOP3 Ui Umin 转移 MOV 90H 7CH 输出 Ui 到 P1 口 LOOP2 MOV A 7CH Ui 给 A CLR C SUBB A Umax RETI LOOP3 MOV A 7CH Ui 给 A CLR C SUBB A Umin RETI IN MOV 6FH I MOV A 6FH I 给 A MOV B 7FH ei 给 B MUL AB Pi I ei 给 A MOV R2 A Pi 给 R2 RETI P MOV 6EH P CLR C MOV A 7FH ei 给 A SUBB A 7EH ei ei 1给 A MOV 7EH 7FH ei 给 ei 1 第三章 数字双闭环直流调速系统软件设计 14 MOV B 6EH MUL AB ei ei 1 P 给 A MOV R3 A Pp 给 R3 RETI 3 23 2 算法实现算法实现 数字控制器采用 PI 调节算法 不仅可以对系统偏差进行比例调节 而且可 对偏差进行积分 因而提高了系统的控制精度和抗外界干扰能力 模拟调节的 PI 算式为 式中 t 时刻调节器输出信号 tu 1 dtte T teKtu i p 比例系数 时刻偏差 为测量值和给定值之差 p K te 积分时间常数 t T 在数字式控制中 由于采用数字计算 要对给定值和反馈量进行采样 因 此要对上述 PI 算式进行离散化 得到适用于数字控制的 PI 算式 1 1 Tje T neKnU n j i p 式中 第 n 次采样后算得的调节器输出 第 n 次次采样算得的偏差 nU ne T 采样周期 n 采样序号 n l 2 3 上述算式计算出的是第 n 次采样后 控制器输出的数字量 叫做位置式算 式 从式中可以看出 想要计算 不仅击要本次与上次偏差信号和 nU ne 而且还要在积分项中把历次偏差信号进行相加 即求取 1 ne je 1 je n j 这样不仅计算繁琐 而且保留要占用很大的内存空间 使用非常不方便 je 为此 又有了在实际